M. AMBRO@I^ ET AL.: MERJENJE OBRABNE OBSTOJNOSTI STRUKTURNE KERAMIKE Al2O3
MERJENJE OBRABNE OBSTOJNOSTI STRUKTURNE KERAMIKE Al
2O
3WEAR-RESISTANCE MEASUREMENT OF STRUCTURAL Al
2O
3CERAMICS
1Milan Ambro`i~,2Stojana Veskovi~ Bukudur,1Toma` Kosma~,
1Kristoffer Krnel,1Darko Eterovi~,1Natalija Petkovi~ Habe,1Irena Pribo{i~
1Odsek za in`enirsko keramiko (K6), Institut "Jo`ef Stefan", Jamova 39, Ljubljana, Slovenija 2Hidria AET, d. o. o., Poljubinj 89, Tolmin, Slovenija
Prejem rokopisa – received: 2008-02-15; sprejem za objavo – accepted for publication: 2008-03-31
Obstojnost keramike proti obrabi med vsakdanjo uporabo je poleg drugih mehanskih lastnosti – trdote, togosti, tla~ne in natezne trdnosti ter `ilavosti – velikega pomena. Pri obrabni obstojnosti so pomembne mnoge lastnosti, kot so trdota, `ilavost, koeficient trenja med sti~nimi povr{inami, morebitne kemi~ne reakcije zaradi mo~no povi{ane temperature in nastanek »triboplasti«, tako da je zelo te`ko najti enoli~no povezavo med danimi veli~inami. Zato je treba obrabno obstojnost posebej kvantitativno opredeliti in jo izmeriti v ponovljivih razmerah. V ~lanku opisujemo preprost in poceni na~in merjenja obrabne obstojnosti strukturne korundne keramike z obi~ajno napravo za bru{enje in poliranje kerami~nih vzorcev.
Klju~ne besede:strukturna keramika, obrabna obstojnost, faktor obrabe
Wear resistance of ceramics in the every-day use is of great importance, besides other mechanical properties, e.g., hardness, stiffness, compressive and tensile strength and toughness. Several characteristics contribute to wear resistance, such as hardness, toughness, coefficient of friction between the surfaces in contact, possible chemical reactions due to highly increased temperature, and the formation of tribofilm, making the search for the unique connection between these quantities very difficult.
Therefore, it is necessary to define the wear resistance quantitatively and measure it in repeatable circumstances. A simple and cost-efficient method for wear-resistance measurement of the structural ceramic material alumina with the help of the ordinary grinding/polishing machine for ceramic samples is presented.
Key words:structural ceramics, wear-resistance, wear factor
1 UVOD
Pomembni podro~ji uporabe strukturne keramike sta in`enirska in proteti~na keramika. Strukturna keramika mora imeti zadovoljive mehanske lastnosti: veliko trdnost in trdoto ter ~im bolj{o `ilavost. Kjer pa je njena povr{ina izpostavljena vsakodnevnemu trenju z drugimi sti~nimi povr{inami, npr. v sklepnih kerami~nih prote- zah, mora imeti tudi dobro obstojnost proti obrabi.
Zato je treba obrabno obstojnost kvantitativno opredeliti in jo meriti v ~im bolj ponovljivih razmerah.
Osnova sodobnih meritev na komercialnih napravah je preprosta: z dolo~eno silo je treba pritisniti povr{ino merjenca ob referen~no povr{ino (referen~na povr{ina je lahko iz enakega ali pa druga~nega materiala kot presku- {ani vzorec), spraviti drsni povr{ini v relativno gibanje in nazadnje izmeriti u~inke obrabnega preskusa, npr.
izmeriti zmanj{anje prostornine merjenca. Veliko obrab- nih preskusov je bilo narejenih na dveh pomembnih in`enirskih in biomedicinskih kerami~nih materialih:
aluminijevem in cirkonijevem oksidu (Al2O3in ZrO2) in njunih kompozitov.1-11 Aluminijev oksid (Al2O3) – ko- rundna keramika – ima veliko trdoto in zato tudi veliko obrabno obstojnost. Danes se veliko uporablja merilo, da je material dobro obrabno obstojen v vsakdanji uporabi,
~e ima faktor obrabe po ena~bi (1) manj{i od vrednosti 10–6mm3/J.8,10
Za vedenje trdih materialov pri trenju in obrabi se je uveljavilo tudi ime "tribolo{ke lastnosti materialov". Ime izhaja iz tega, ker pri stiku in relativnem gibanju raz- meroma gladkih povr{in dveh trdih materialov nastane med njima {e tretja plast, na kratko triboplast, in sicer iz aglomeriranih odkru{enih del~kov z ene ali obeh kera- mi~nih povr{in.6Kemijsko in fazno sestavo triboplasti ter njeno hrapavost, ki seveda mo~no vpliva na koeficient trenja, lahko preu~imo z vrsti~nim in presevnim elektronskim mikroskopom (SEM in TEM), rentgensko spektroskopijo, mikroskopom na atomsko silo (AFM), ramansko spektroskopijo, opti~nim mikroskopom – profilometrom itd.1-10Ve~ poskusov ka`e na to, da se po za~etnem spreminjanju koeficient trenja med sti~nima povr{inama ustali pri neki vrednosti, kar ka`e na to, da ga zares dolo~a nastala triboplast.6,7,11
Krell in Klaffke sta primerjala obrabo povr{in vzorcev Al2O3, tetragonalnega ZrO2(z molskim dele`em Y2O3 3 %) in kompozita Al2O3/TiC (TiC je titanov karbid) pri drgnenju ob krogle iz Al2O3 pri razli~nih pogojih (npr. razli~ni vla`nosti zraka).3Pri tem je imela keramika Al2O3razli~ne povpre~ne velikosti zrn, od 0,4 µm do 3 µm, odvisno od majhne koli~ine dodatkov, npr.
MgO, ki imajo bistven vpliv na potek sintranja. Za Al2O3
sta ugotovila, da se z zmanj{anjem kristalnih zrn zmanj{a faktor obrabe. Nadalje, vla`en zrak ali teko~a voda med sti~nima povr{inama zmanj{ata koeficient
Strokovni ~lanek/Professional article MTAEC9, 42(5)221(2008)
trenja, kar v glavnem vodi do zmanj{anja faktorja obrabe. Faktorja obrabe Al2O3 in kompozita Al2O3/TiC sta podobna, obraba ZrO2pa je ve~ja.
Liu in sodelavci so ugotovili, da dodatek 6 % (pro- storninski dele`) diopsida, MgCa(SiO3)2precej izbolj{a tribolo{ke lastnosti keramike Al2O3.10 Med drugim so potrdili splo{no znano dejstvo, da pri ve~jih normalnih silah med drsnimi povr{inami nastane bolj izrazito puljenje celih zrn, s ~imer se mo~no pove~a obraba.
Njihova najpomembnej{a ugotovitev pa je verjetno ta, da se faktor obrabek= 10–6mm3/J za ~isti Al2O3pri danih pogojih preskusa zmanj{a na desetino vrednosti pri 12-odstotnem dele`u diopsida.
^eprav obstajajo komercialne naprave za merjenje obrabne obstojnosti materialov na osnovi ena~be (1), pa si lahko pomagamo tudi z improviziranimi preskusi na obi~ajni napravi za bru{enje in poliranje kerami~nih vzorcev. Na tak na~in smo na Odseku za in`enirsko keramiko Instituta "Jo`ef Stefan" izmerili obrabno ob- stojnost keramike Al2O3, pripravljene na razli~ne na~ine in z razli~nimi primesmi.
2 OPREDELITEV OBRABNE OBSOJNOSTI KERAMIKE
Obraba materiala pri drgnenju ob enak ali druga~en material je tem ve~ja, ~im ve~ja je sila trenja med povr{inama, ta sila pa nara{~a s pravokotno silo, ki ti{~i podlagi eno ob drugo. Obraba nara{~a tudi s ~asom drgnjenja oziroma z relativnim premikom med sti~nima povr{inama. Zato je smiselno opredeliti faktor obrabe k takole:
k V
= ∆F s
n
(1)
kjer je ∆V zmanj{anje volumna materiala oz. pre- skusnega vzorca zaradi obrabe, Fn je pravokotna (normalna) sila med sti~nima povr{inama, s pa je razdalja, ki jo pri trenju naredi ena povr{ina relativno glede na drugo. Primerna enota za faktor obrabe je npr.
mm3/J. Ena~ba (1) je v skladu s pri~akovanjem, da je zmanj{anje volumna materiala sorazmerno z delom zunanje sile, saj je za trganje medatomskih vezi v materialu potrebna energija, {tevilo potrganih vezi pa je sorazmerno tako z volumnom odnesenega materiala kot z dovedeno notranjo energijo. Zavedati pa se moramo, da ta sorazmernost velja le do dolo~ene mere, saj so prisotni razli~ni mehanizmi odna{anja materiala s povr{ine. Po drugi strani je sila trenjaFtrmed sti~nima pov{inama bolj vplivna od normalne sileFn, saj je delo sile trenja, ki je vzporedna z relativnim gibanjem obeh povr{in, razli~no od ni~, medtem ko je delo normalne sile ni~. Sila trenja je sicer sorazmerna z normalno silo, vendar pa je odvisna tudi od koeficienta trenjaktr:Ftr= ktrFn. Tako je lahko pri isti normalni sili Fnin pri sicer enaki keramiki hitrost obrabe zelo razli~na, ~e imamo razli~ne koeficiente trenja med sti~nima povr{inama, npr. zaradi oblivanja povr{in z vodo. Vendar, ~e je pri neki aplikaciji koeficient trenja vedno enak, je normalna sila sorazmerna s silo trenja, tako da je ena~ba (1) smiselna.
3 EKSPERIMENTALNO DELO
Zaradi sodelovanja z industrijo (AET – Hidria, Tolmin) nas je zanimala obrabna obstojnost aluminije- vega oksida Al2O3. Obrabne preskuse lahko naredimo kar na napravi za poliranje kerami~nih vzorcev, ~e poskrbimo za ponovljive pogoje presku{anja. Postopek obrabnih preskusov na okroglih plo{~icah (tabletkah) z uporabo diamantne paste z delci povpre~ne velikosti 45
Slika 1:a) Struersova polirna naprava z nastavkom Pedepin 2; b) Pove~an izrez naprave z nosilcem vzorcev in vpetim preskusnim vzorcem Figure 1:a) Struers polishing machine with the part Pedepin 2; b) Enlarged section of the machine with the sample holder and attached testing sample
µm je bil podrobneje opisan v reviji Vakuumist.12 Tu opi{emo obrabne preskuse, kjer smo vzorce brusili na napravi Pedepin 2 danskega podjetja Struers (slika 1a).
Iz podjetja AET smo prejeli vzorce v obliki votlih valjev z merami v tabeli 1. Vzorci so gredi vodnih ~rpalk iz serijske proizvodnje. Od celotne dol`ine vzorcev smo za posamezni preskus odrezali kose, dolge okrog 20 mm (slika 1b). Keramik je bilo {est vrst, glede na vrsto uporabljenih kerami~nih prahov in dodanih primesi. Na primer oznaka AET (tip 6) pomeni keramiko iz me{anice ve~ vrst za~etnih prahov, ki jih v AET navadno upo- rabljajo za serijsko proizvodnjo bele korundne keramike, medtem ko ima rjava keramika (tip 5) prime{an man- ganov in titanov oksid. Zna~ilna temperatura sintranja teh vzorcev je bila 1640 °C, le za rjavo keramiko je bila ta temperatura 1300 °C. Gostote keramik so bile izmer- jene z Arhimedovo metodo, ~eprav bi jih lahko preprosto izra~unali iz mase in dimenzij vzorcev.
@e pri `aganju preskusnih dvocentimetrskih kosov z diamantno `ago pri ponovljivih pogojih (enaka obte`ba, temeljito o~i{~enje lista `age pred `aganjem itd.) smo dobili prvo dokaj zanesljivo informacijo o obrabni obstojnosti razli~nih keramik. ^asi `aganja, ki so se gibali okrog vrednosti 5 min ali ve~, so se namre~ za razli~ne skupine zelo razlikovali, medtem ko so si bili za vzorce iz iste keramike med seboj podobni. Dalj{i ~as
`aganja nakazuje ve~jo obrabno obstojnost keramike (tabela 2). Sam obrabni preskus na napravi Pedepin je potekal takole: Vzorec smo pritrdili na natan~no ozna-
~eno mesto na nosilcu in ga najprej na kratko zbrusili z bolj grobo brusno plo{~ico z diamantnimi zrni, tako da smo poskrbeli za planparalelnost obdelovalne povr{ine z drugo brusno plo{~ico v nadaljevanju preskusa. Vzorec smo stehtali, nato pa ga obrusili s finej{o plo{~ico trikrat po 1 min (za preskus ponovljivosti). Po vsaki minuti bru{enja s finej{o plo{~ico smo vzorec ponovno stehtali in izra~unali izgubo mase/volumna. Pred vsakim tehta- njem smo vzorec o~istili v ultrazvo~ni kopeli z aceto- nom. Zelo pomembno za ponovljivost rezultatov je bilo tudi ~i{~enje brusnih plo{~ic pred vsakim preskusom.
4 REZULTATI IN DISKUSIJA
Ker smo preskuse izvajali pri nespremenljivih po- gojih (stalna normalna silaFn≈50 N, frekvenca vrtenja brusne plo{~ice 917 min–1, frekvenca vrtenja nosilca
vzorcev 300 min–1 itd.), nismo vsaki~ ra~unali faktorja obrabe po ena~bi (1), temve~ nam je zadostovala primerjava zmanj{anja njihove prostornine. Izidi meritev so prikazani v tabeli 2. Naprava Pedepin nima vgraje- nega merilnika normalne sile, zato je zgoraj omenjena vrednost 50 N le groba ocena, ki smo jo dobili z uporabo tehtnice. Na osnovi podatkov iz tabele (<V>≈100 mm3), ocenjene sile (Fn≈50 N) in relativne drsne poti (s≈65 m, izra~unali smo jo na osnovi frekvenc vrtenja ({tevila obratov na minuto) polirne plo{~ice in nosilca vzorca, ekscentri~nosti osi obeh vrtenj in ~asa preskusa) smo ocenili faktor obrabe: k ≈ 0,03 mm3/J. Ta vrednost je zelo velika v primerjavi s tistimi, navedenimi pri obi~aj- nih preskusnih pogojih v literaturi, vendar pa je bru{enje z brusno plo{~ico veliko bolj agresivno kot npr. med- sebojno drgnjenje gladkih kerami~nih povr{in. @aganih povr{in vzorcev nismo spolirali pred preskusom z bru{enjem in pri~akovati je bilo, da bi bila obraba na za~etku spoliranih povr{in veliko manj{a. Dodatni preskusi so pokazali, da zmanj{anje volumna vzorcev ni premo sorazmerno s ~asom, temve~ se hitrost obrabe zaradi nastanka triboplasti hitro zmanj{uje. Za primer- javo: faktor obrabe za laboratorijske Al2O3-tabletke, na katerih smo naredili predhodne obrabne preskuse z drgnjenjem ob fino polirno plo{~o, na katero smo poli- vali redko vodno suspenzijo diamantnih delcev pov- pre~nega premera 45 µm,12 je bil 6 · 10–4mm3/J, vrstni red razli~nih keramik po obrabni obstojnosti pa je bil podoben kot pri preskusu z brusno plo{~ico. Ena najpomembnej{ih veli~in pri obrabi materiala, koeficient trenja, namre~ zelo variira pri razli~nih preskusnih pogojih. Kljub tem razlikam pa je preskus z diamantno brusno plo{~ico poceni, preprost in hiter, daje osnovno informacijo o obrabni obstojnosti in tudi obdelovalnosti razli~nih keramik, obe lastnosti (oziroma kompromis med njima) pa sta pomembni za industrijsko tehnologijo.
^asa `aganja pri vzorcih skupin 3 in 6 sta samo informativna, saj imajo ti vzorci bistveno druga~no plo{~ino prereza (tabela 1), ~as `aganja pa je seveda odvisen tudi od te veli~ine. Po drugi strani smo ugotovili, da razli~ni prerezi vzorcev skoraj ni~ ne vplivajo na zmanj{anje volumna med preskusom; to smo preverili s primerjavo zmanj{anja volumna za isto keramiko (isti votli valj na njegovem koncu, ki ima druga~en premer votline kot v sredini valja). Iz tabele 2 je razvidno, da imajo keramike skupin 2, 3 in 6 pribli`no
Tabela 1:Vrsta in mere vzorcev:ρ= gostota,M= masa,DzuninDnot= zunanji in notranji premer,L= dol`ina
Table 1:Type and dimensions of the samples:ρ= density,M= mass,DzunandDnot= outer and inner radius, respectively,L= length
Skupina Tip H/(g/cm3) M/g Dzun/mm Dnot/mm L/mm
1 MR52-23 3,76 20,66 9,95 2,30 77,07
2 MR32-23 3,76 20,78 9,95 2,30 77,13
3 KMS96 3,77 21,45 10,21 2,10 77,17
4 Alcoa 3,92 21,52 9,95 2,30 77,22
5 Rjava 3,92 24,08 9,95 2,77 89,13
6 AET 3,78 22,60 10,53 2,30 76,8
enako obrabno obstojnost, sledi keramika 1, manj obstojni pa sta keramiki 4 in 5. ^asi `aganja potrjujejo rezultate za zmanj{anje volumna med preskusi: ve~ji volumenski obrabi ustreza dalj{i ~as `aganja vzorcev.
Tabela 2 Rezultati `aganja in obrabnega preskusa: <t> in δt sta povpre~ni ~as in standardna deviacija ~asa `aganja vzorcev z diamantno `ago (3 ali 4 meritve), <V> inδVsta povpre~no zmanj{anje volumna vzorcev med enominutnim preskusom in ustrezna standardna deviacija (3 meritve)
Table 2Results of sawing and wear test: <t> andδtare average time of sawing of samples with the diamond saw and its standard deviation, respectively (3 or 4 measurements), <V> andδVare average volume loss of samples after 1-minute test and the corresponding standard deviation, respectively (3 measurements)
Skupina <t>/(min:s) @t/s <V>/mm3 @V/mm3
1 6:44 7 106 6
2 7:28 7 79 2
3 6:26 (inf) – 78 3
4 5:11 12 147 10
5 4:08 4 158 1
6 8:09 (inf) – 83 1
Povr{ine vzorcev po `aganju in preskusnem bru{enju smo si ogledali z vrsti~nim elektronskim mikroskopom (SEM).Slika 2 prikazuje zna~ilno povr{ino po `aganju in bru{enju. Slike za vse vrste keramike so si podobne. S slike lahko razberemo, da je glavni mehanizem pri
`aganju in bru{enju abrazija kristalnih zrn z diamantnimi delci, puljenje celih kristalnih zrn s povr{ine pa je manj pomembno.
Izmerili smo tudi trdoto razli~nih keramik z Vickersovim odtisom z diamantno piramido pri dveh obte`itvah, 2 kg in 5 kg. Pri tej metodi izra~unamo trdoto z velikostjo odtisa (pod opti~nim mikroskopom vidimo kvadrat, slika 3, sicer pa ima odtis obliko pravilne 4-strane piramide). Zna~ilne vrednosti trdote so okrog 15 GPa, med razli~nimi keramikami so sicer vidne razlike v trdoti, a precej manj{e kot razlike v obrabnem preskusu in tudi ni o~itne korelacije med trdoto in obrabno obstoj- nostjo. Na slikah z opti~nega mikroskopa smo ocenili poroznost keramik: le-ta je velikostnega reda 10 % in ni opaziti bistvenih razlik za razli~ne keramike. Enako velja za povpre~no velikost in velikostno porazdelitev por:
pore so v povpre~ju velike nekaj mikrometrov in so pri rjavi keramiki nekaj manj{e kot drugod. Povpre~no velikost kristalnih zrn smo izra~unali z analizo SEM (Scanning Electron Microscope = vrsti~ni elektronski mikroskop)-slik poliranih in termi~no jedkanih povr{in kerami~nih vzorcev, njena vrednost pa je okrog 3 µm.
Razli~ne keramike torej nimajo o~itnih razlik v mikrostrukturi in je verjetno za njihovo razli~no obrabno obstojnost odlo~ilna morebitna razlika v strukturi snovi med kristalnimi zrni.
5 SKLEP
Tudi z improviziranimi preprostimi preskusi na standardni napravi za bru{enje in poliranje vzorcev se da dokaj zanesljivo primerjati obrabno obstojnost razli~nih kerami~nih materialov.
6 LITERATURA
1Birkby I., Harrison P., Stevens R., The effect of surface trans- formation on the wear behaviour of zirconia TZP ceramics, J. Eur.
Ceram. Soc. 5 (1989), 37–45
Slika 3:Fotografija slike opti~nega mikroskopa povr{ine keramike skupine 3 z odtisom Vickersove piramide. Na sliki je dobro opazna tudi poroznost keramike.
Figure 3:Optical-microscope photograph of the surface of ceramics from group 3 with the Vickers-pyramid indentation. The porosity of the ceramic material is also evident.
Slika 2:SEM-fotografija `agane (a) in bru{ene (b) povr{ine keramike skupine 3
Figure 2:SEM-photograph of the sawed (a) and ground (b) surface of the ceramics from group 3
2Fischer T., Anderson M. P., Jahanmir S., Influence of fracture tough- ness on the wear resistance of yttria-doped zirconium oxide, J. Am.
Ceram. Soc. 72 (1989) 2, 252–257
3Krell and D. Klaffke, Effects of grain size and humidity on fretting wear in fine-grained alumina, Al2O3/TiC, and zirconia, J. Am.
Ceram. Soc. 79 (1996) 5, 1139–1146
4Gee M. G., Jennett N. M., High resolution characterisation of tribo- chemical films on alumina, Wear 193 (1996) 2, 133–145
5Morita Y., Nakata K., Ikeuchi K., Wear properties of zirconia/
alumina combination for joint prostheses, Wear 254 (2003) 1–2, 147–153
6Kalin M., Hockey B., Jahanmir S., Wear of hydroxiapatite sliding against glass-infiltrated alumina, J. Mater. Res. 18 (2003) 1, 27–36
7Basu B., Vleugels J., Van der Biest O., Microstructure-toughness- wear relationship of tetragonal zirconia ceramics, J. Eur. Ceram. Soc.
24 (2004) 7, 2031–2040
8Kerkwijk B., Garcya M., Van Zyl W. E. et al., Friction behaviour of solid oxide lubricants as second phase inα–Al2O3and stabilised ZrO2composites, Wear 256 (2004), 182–189
9Novak S., Kalin M., Lukas P., Anne G., Vleugels J., Van der Biest O., The effect of residual stresses in functionally graded alumina- ZTA composites on their wear and friction behaviour, J. Eur. Ceram.
Soc. 27 (2007) 1, 151–156
10Liu C., Zhang J., Sun J., Zhang X., Tribological properties of pressureless sintered alumina matrix ceramic materials improved by diopside, J. Eur. Ceram. Soc., in print
11Singha Roy R., Guchhait H., Chanda A., Basu D., Mitra M. K., Im- proved sliding wear-resistance of alumina with sub-micron grain size: A comparison with coarser grained material, J. Eur. Ceram.
Soc., 27 (2007), 4737–4743
12Ambro`i~ M., Obrabna obstojnost keramike, Vakuumist 27 (2007) 3, 10-15
